3D Printing of Micro-Optic Spiral Phase Plates for the Generation of Optical Vortex Beams
——||| 背景介绍 |||——
光学涡旋是一种具有螺旋相位波前的结构光束，可以产生轨道角动量（OAM）。光学涡旋光束的特征之一是相位结构在光束中心处具有奇点，其中轴上的强度为零，呈现出取决于拓扑电荷的“环形”强度图案。可以通过成像平面处的聚焦透镜直接观察环形孔，并且可以通过用合适的参考光束干扰涡旋光束来观察螺旋强度图案。由于这些特性，光学涡旋光束已经应用于激光和光通信和成像，微/纳米加工和显微操作等。对于光通信，OAM光可以显着提高带宽并提高频谱效率。在微纤维中，光学涡旋光束可以控制三维微/纳米结构的手性。它们还可以用作光学镊子来操纵活细胞。通常，OAM光束可以通过计算机生成的全息图]，微环谐振器与角度光栅，超曲面结构，可变形反射镜，双折射液晶和螺旋相位板（SPPs）。SPP是将高斯激光束转换成光学涡旋光束的最有效方法之一，因为它们易于制造，紧凑和稳定，并且可以在包括聚合物、石英等在内的各种材料中制造
——||| 方法与结论 |||——
在这项工作中，证明了具有不同拓扑电荷的微尺度聚合物螺旋相位板（SPP）可以通过双光子聚合的飞秒3D直接激光写入来制造，通过实验获得了涡旋光束的强度模式和干涉图，显示出与数值模拟的良好一致性。该技术可以达到100nm的分辨率，使得该技术成为制造用于与中尺度光子器件和微流体器件集成的微尺度SPP的合适选择。
——||| 图文一览 |||——
图1：具有拓扑电荷数（l=1）的SPP的设计图。
小结：SPP的几何结构有公式：H=H_0+λφl/2π(n-n_0 ) ,φ∈[0,2π) 给出，其中n=1.54和n0=1为材料和周围的折射率，l=632.8nm，l为拓扑电荷数。通过调整SPP的周期性以获得期望的拓扑电荷数。
图2：表征OAM光和平面波干涉图案。拓扑电荷为±1（a），±2（b），±3（c）的OAM光的强度分布具有环形振幅分布
小结：光学涡旋的电场为：wE_0 (z,t)=E_1 exp(i[kz-ωt])exp(ilφ),φ∈[0,2π)，从（a,b,c）图中可以知道OMA的轮廓为圆形且随着拓扑电荷数增加环半径随着增加。对于干涉图样中的错位缺陷，分叉数代表着拓扑电荷数，且对于正负不同的拓扑电荷数，条纹的分叉方向会改变。
图3：球面波与OAM光的干涉图样（其中a, b, c分别为l=1,2,3；d, e, f为l=-1,-2,-3）
小结：球面波与OAM光的干涉图样表现为l阶的折叠螺旋，随着拓扑电荷数变为负，其旋向也会改变。
图4：SPP的SEM图像。其中（a）l1=1，（b）l2=2。
小结：使用Photonic Professional 3D光刻系统（Nanoscribe）设备在石英玻璃衬底上进行加工，光刻胶采用IP-Dip。结构直径为40um，采用Z方向步骤为50nm来得到光滑表面。
图5：Mach-Zehnder干涉仪的实验装置。其中SM为扫描镜。
小结：两个插图为不具有/具有SPP的激光轮廓。
图6：具有不同拓扑电荷的SPP的涡旋光束与平面波的干涉结果。
小结：从条纹错误可以看出与仿真结果一致。
图7：具有不同拓扑电荷的SPPs对具有球面波的涡旋光束的干涉
小结：稍微离焦一下准直光束以产生球面波，从而与OAM进行干涉。
图8：基于扫描镜改变干涉相位来选转OAM。
小结：通过改变扫描镜来改变输入相位，从而旋转和控制光束。这里展示的是±1的OAM干涉图样旋转2p的角度。
——||| 点评 |||——
证明了轨道角动量光可以通过3D打印的微尺度螺旋相结构产生，并且这已经由Mach-Zehnder干涉仪表征。轨道角动量光束的远场分布和干涉图与数值模拟非常吻合。这些微尺度螺旋相结构可以3D打印，以便与微光子和微流体平台轻松集成，用于光通信和微流体应用。此外，对于实际应用，可以设计不同工作波长的螺旋相位板。由于其快速写入速度和非常高的分辨率等优点，基于直接激光写入的三维双光子印刷技术将引起对光学和光子学领域感兴趣的研究人员的极大兴趣。
Wei, H., Amrithanath, A. K. & Krishnaswamy, S. 3D Printing of Micro-Optic Spiral Phase Plates for the Generation of Optical Vortex Beams. Ieee Photonics Technology Letters 31, 599-602, doi:10.1109/lpt.2019.2903151 (2019).
Department of Mechanical Engineering, Center for Smart Structures and Materials, Northwestern University, Evanston, IL, USA
翻译作者：秦燕亮
